Конечно-элементное моделирование металлического уплотнения подвески насосно-компрессорной трубы

Процесс подводной добычи нефти и газа сопровождается высокими значениями скважинного давления, которое может достигать тысячи атмосфер, при этом срок службы данного оборудования, закладываемый техническим заданием, может достигать 20 и более лет. Чтобы гарантировать безопасность процесса подводной добычи на всем периоде эксплуатации оборудования, в рамках проектирования важно уделять особое внимание характеристикам герметичности и прочности металлических уплотнений. В связи с этим данная статья направлена на выявление степени влияния такого геометрического параметра, как глубина выточки на характеристики герметичности и прочности металлических уплотнений. В работе проведено моделирование методом конечных элементов с использованием расчетного комплекса Ansys, напряженно-деформированного состояния металлического уплотнения подвески насосно-компрессорной трубы штатного конструктивного исполнения при монтаже и при воздействии скважинного и испытательного давлений. Конечно-элементное моделирование осуществлялось с использованием упруго-пластических моделей деформаций материала. Для анализа работоспособности конструкции металлического уплотнения приведены критерии оценки прочности и герметичности. В ходе моделирования были определены параметры, характеризующие герметичность и прочность конструкции. С целью исследования степени влияния глубины выточки металлического уплотнения на характеристики герметичности и прочности было выполнено моделирование с увеличением данного параметра до 80 %. Представлены результаты расчетов параметров герметичности и прочности с различной глубиной выточки. Материалы статьи представляют практическую ценность для инженеров-конструкторов и ученых, занимающихся проблемами обеспечения герметичного подводного соединения с использованием металлических уплотнений.

1. Bai Y., Bai Q. Subsea Engineering Handbook. GPP: Elsevier; 2010.

2. Y. Li, Zhao H., Wang D., Xu Y. Metal sealing mechanism and experimental study of the subsea wellhead connector. Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering. 2020;42(26):16–17.

3. Wang L.Q., Wei Z.L., Yao S.M. Performance and optimization of a subsea pipeline mechanical connector. Chin J Mech Eng. 2015;31(01):142–155.

4. Zhao H.L., Chen R., Luo X.L. Metal sealing performance of subsea X-tree wellhead connector sealer. Chin J Mech Eng. 2015;28(3):649–656.

5. Wanga Y., Luo W., Liu S., Feng H., Lia J., Wanga J. A model for reliability assessment of sealing performance of the C-shaped metal sealing ring at the outlet of the subsea tubing hanger. China Ocean Engineering, 2022;(243):659–670.

6. Zongliang W., Liquan W., Yu G., Shaoming Y., Shaokai L. Static metal sealing mechanism of a subsea pipeline mechanical connector. Advances in Mechanical Engineering. 2016;8(7). DOI: 10.1177/1687814016654821.

7. Fernando U.S. Analysis of end fitting barrier seal performance in high pressure unbonded flexible pipes. Proceedings of the ASME 2014 33rd International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering OMAE2014. 8–13 June, 2014, San Francisco, California, USA.

8. Drinkwater B.W., Dwyer-Joyce R.S., Cawley P. A study of the interaction between ultrasound and partially contacting solid-solid interface. Proc. of the Royal Society Series A. 1996;452:2613–2628

9. Lewis R., Marshall M.B., Dwyer-Joyce R.S. Measurement of interface pressure in interference fits. Journal of Mechanical Engineering Science, Proc. of the IMECHE. 2005;219(2):127–139.

10. Tang L, He W, Zhu X, Zhou Y. Sealing Performance Analysis of an End Fitting for Marine Unbonded Flexible Pipes Based on Hydraulic-Thermal Finite Element Modeling. Energies. 2019;12(11):2198.

11. 2015 ASME Boiler and pressure vessel code. Section VIII, Division 2, Annex 3-D.